流速標準に関する世界の動向 -FLOMEKO 2013流速関係報告

2014年3月14日
流量計測クラブ@日本科学未来館
流速標準に関する世界の動向
-FLOMEKO 2013流速関係報告
（独）産業技術総合研究所 計測標準研究部門
流量計測科 気体流量標準研究室
岩井 彩
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目次
CIPM 相互認証協定 Appendix C (CMCs: 校正・測定能力)
から、流速標準の登録内容紹介
FLOMEKO 2013をベースとした、各国の流速標準や校正設備
の紹介
産総研が進める気体大流速標準の設定
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CMC：
各国流速設備の流速範囲
•気体流速を登録しているNMI（国家計量標準機関）は12機関
•アメリカ、オランダ、リトアニア、ドイツのNMI4機関が大流速域を扱う
アメリカ
トルコ
スイス
オランダ
リトアニア
韓国
日本
ドイツ
フランス
デンマーク
台湾
オーストリア
大流速
 流速40 m/sまでの中流速域はほとんどの
機関で対応可能
 最大流速はアメリカ[NIST]の67 m/s
3
CMC：各国流速標準の不確かさ
大流速
1%
0.5%
 拡張不確かさは1 %前後
 流速が大きいほど拡張不確かさは小さい傾向
アメリカ
トルコ
スイス
オランダ
リトアニア
韓国
日本
ドイツ
フランス
デンマーク
台湾
オーストリア
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FLOMEKO 2013
16th International Flow Measurement Conference
• 流速・流量分野の国際会議 専門家、研究者が200人以上参加
• 2013年9月24-26日 フランス・パリで開催
• セッションは大きく4分野 全体で約100の発表
標準
流速、液体・気体微小流量、液体流量、
石油系流量、高圧・低圧ガス流量、
天然ガス流量、体積流量
各種流量計
超音波式測定、臨界ノズル、
タービン式・渦式測定
計測・測定
LNG計測、燃料用ガス測定、ガス測定、
混相流、液体流量測定
その他
不確かさ、品質システム、
流体現象
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流速関係の発表機関
日本_NMIJ
韓国_KRISS
中国_NIM
アメリカ_NIST
フランス_LNE-CETIAT
イタリア_INRIM
オーストリア_BEV/E+E
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アメリカ NIST
発表１
回転円盤によるLDA校正の高度化
<1999 ~ 2009>
測定体積
•回転円盤の金属線に対する測定体積の中心位置は、
LDA信号が消える中間地点と推定
→LDA校正の不確かさは約1 %
Disk Spin
Disk Spin
Axis
chopper
helium-neon
laser
photo diod
wire
wire
Disk
clamping screws
light trap
LDA laser
LDAレーザー
<2010>
collet hole
d
Flomeko 2013講演予稿集より
•スペクトル分析器を導入し、測定体積の中心位置を0.1 mmの精度で測定
•設定流速は10 m/sと20 m/s
→LDA校正の不確かさは0.4 %
しかし、回転円盤軸のふらつきや振動、金属線の形状は流速に依存するため、不確かさが更に付加される可能性
<2011>
•測定体積内を通過する金属線の位置を流速0.2 m/s ~ 20 m/sで測定
→回転円盤の金属線形状に依存しない流速決定が可能に
→LDA校正の不確かさは0.4 %
→<2010>と同じ不確かさだが、経年変化による測定体積の変化幅が小さくなった
7
アメリカ NIST
発表１
流速範囲：0.2 m/s ~ 75 m/s
一次標準：回転円盤
トランスファ：LDA、ピトー管
設備：ゲッチンゲン型風洞
回転円盤
Flomeko 2013講演予稿集より
NISTのトレーサビリティ体系（予定）
Flomeko 2013講演予稿集より
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アメリカ NIST
ゲッチンゲン型風洞 全長 43.6 m 幅8.9 m
•入れ替え可能な2個の測定胴
直管：0.2 m/s ~ 45 m/s 凹管：0.2 m/s ~ 75 m/s
•測定胴での乱流強度はほとんどの流速域で0.07 %
上面図
Flow
直管
凹管
Flow
Yeh and Hall, NIST Special Publication 250-79より
側面図
直管
凹管
Flow
Flomeko 2013講演予稿集より
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アメリカ NIST
発表2
三次（参照）標準としてのピトー管校正と不確かさ解析
NISTでは近い将来、ピトー管を三次（参照）標準として使用
<校正条件>
•流速5 m/s ~ 75 m/s、低乱流条件
•風洞とLDAで校正
ヨー角とピッチ角は0度
角度の不確かさは1度以内
• ヨー角、ピッチ角のずれによる誤差
は流速の0.02 %
ピトー係数
<ピトー管の形状>
•直径9 mm、L型
<結果>
•2 m/s以上の流速域を三次標準として使用可能
•長期安定性に非常に優れている（10日後の再現性あり）
•流速5 m/s ~ 75 m/sでの拡張不確かさ（k=2）は0.41 %程度
Flomeko 2013講演予稿集より
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発表
フランス LNE-CETIAT
流速計の閉塞効果の誤差評価を数値計算で行う取り組み
第1段階として、風洞実験による結果との比較で数値計算結果を評価
（Code_saturne(c) 2.0、ナビエ-ストークス方程式）
風洞実験で使用した流速計
•
•
•
•
ピトー管（ISO 3966に準拠）
熱式流速計
タービン式流速計（直径14 mm）
タービン式流速計（直径100 mm）
Flomeko 2013講演予稿集より
フランス LNE-CETIAT
ゲッチンゲン型風洞
流速範囲：0.15 m/s ~ 40 m/s
トランスファー：LDA 不確かさは約0.5 %
10.8 m
Flow
3.18 m
Flomeko 2013講演予稿集より
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フランス LNE-CETIAT
熱式
数値計算
風洞実験（LDA）
ピトー管
20mm
300mm
20mm
300mm
20mm
300mm
20mm
300mm
Flomeko 2013講演予稿集より
閉塞効果
• 流速計の前方20mmでは、ピトー管は閉塞効果なし、熱式は効果あり
• 数値計算は、定性的に実験結果と良く合っている
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フランス LNE-CETIAT
数値計算
風洞実験（LDA）
14 mm
20mm
300mm
20mm
300mm
20mm
300mm
20mm
300mm
100 mm
Flomeko 2013講演予稿集より
• 数値計算結果は実験結果よりも分布は滑らかだが、分布傾向は十分に反映
→風洞実験を数値計算に置き換えられる可能性あり
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イタリア INRIM
発表1
回転腕を用いた流速標準の設定
無風空間
流速計
回転軸
回転腕
回転軸
回転腕半径： 3.5 m
流速範囲： 0.1 m/s ~ 5.0 m/s
ピトー管やタービン式などの流
速計を回転腕の先端に設置し、
無風空間で回転させる
散乱粒子の噴霧器
Flomeko 2013講演予稿集より
<実験目的>回転腕の通過前後に発生する空間内の流速をLDAで測定
<実験準備>散乱粒子を充満させた後、無風状態になるまで10分間待機
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イタリア INRIM
設定流速：
1 m/s
流速計の流速（m/s）
空間内の流速（m/s）
<実験目的>回転腕の通過前後に発生する空間内の流速をLDAで測定
回転腕の先端にタービン式流速計（直径100 mm）を設置
時間（秒）
流速計から 流速計から
1 m手前
5 m手前
Flomeko 2013講演予稿集より
空間内の流速（m/s）
流速が増すほど、空間内の流速はばらつく
空間内の流速分布は設置する流速計によっても異なる
と考えられるため、他の流速計でも実験を予定している
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発表2
イタリア INRIM
リニューアルしたエッフェル型風洞の性能評価（新旧比較）
改良点
• 木製ファンを金属製に
→流れの質が向上
• 測定部の構造的な強度を向上
ドア枠を改良
• 流速範囲が拡大
→2 m/s ~ 35 m/s
（潜在的には40 m/sまで可能？）
性能評価
• 熱線流速計を使用
• 乱流強度0.6%台（旧型と同等）
• 流速12.5 m/sでは、ノズル出口
から30 cm後方で乱流強度が
ピーク（1 %以上）を持つため、
Flomeko 2013講演予稿集より
そこで渦が発生している可能性
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発表
オーストリア BEV/E+E
新しい流速標準の確立（0.04 m/s ~ 40 m/s）
• ドイツのNMI（PTB）で校正されたLDA（不確かさ0.2 %）を使用
• LDAの安定度0.015 ％未満／年
エッフェル型
流速範囲：0.04 m/s ~ 2 m/s
乱流強度：0.15 % ~ 0.8 %
散乱粒子：DEHS（平均直径1 μm）
ゲッチンゲン型
流速範囲：0.3 m/s ~ 40 m/s
ノズル直径：255 mm
乱流強度：0.15 % ~ 0.5 %
測定流体温度：5℃ ~ 80℃
Flow
Flow
Flomeko 2013講演予稿集より
Flomeko 2013講演予稿集より
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中国 NIM
発表
流速標準（0.2 m/s ~ 30 m/s）の新規立ち上げ
大気循環や室内空気のモニタリング調査、航空宇宙などの分野に焦点を当てる
煙突内の流速測定についてはNISTでも研究が進んでおり、NISTに研究者を長期派遣中
エッフェル型風洞
流速範囲：0.2 m/s ~ 30 m/s
一次標準：回転円盤
トランスファ：LDA（0.2 m/s ~ 30 m/s）
ピトー管（5 m/s ~ 30 m/s）
熱線流速計（0.2 m/s ~ 5 m/s）
ノズル直径：200 mm
LDA
Flow
ノズル直径
200 mm
Fan
Test section
エッフェル型風洞
Flomeko 2013講演予稿集より
LDA測定による拡張不確かさ（k=2）は0.3 %未満
LDAによる校正方法の効率化が今後の課題
LDA校正用の回転円盤
Flomeko 2013講演予稿集より
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韓国 KRISS
発表
ピッチ角、ヨー角変動時のS型ピトー係数の評価
工場等の煙突から排出される温室効果ガスの、流量測定精度向上を目指す
設定流速：2 m/s ~ 15 m/s 拡張不確かさ（k=2）：0.6 % ~ 1.1 % 乱流強度：0.5 %未満
ピッチ角およびヨー角を2度ずつ、±10度の範囲で変化させた
衝突孔
後流孔
Flow
Flow
温度計
S型
ピトー管
煙突
差圧計へ
S型ピトー管
Flomeko 2013
講演予稿集より
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韓国 KRISS
測定結果 （左）ピッチ角変動時 （右）ヨー角変動時
Flow
Flow
傾向無し
傾向有り
Flomeko 2013講演予稿集より
• 標準偏差と不確かさは、レイノルズ数=3,000で0.3 %未満、レイノルズ数=22,000で
1.21 %であった
• ヨー角変動による変動傾向は、後流孔での圧力が原因と考えられる
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（FLOMEKOで流速関係の発表は無い）
ドイツ PTB
ゲッチンゲン型風洞
流速範囲：0.5 m/s ~ 65 m/s
流量設備のブロワを併用したエッフェル型であったが、動力源を独立させて改良した
一次標準：回転円盤 トランスファー：LDA
ノズル直径：320 mm
流量設備へ
Flow
流量設備併用型
現在
回転円盤
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ドイツ PTB
ノズル直径
320 mm
第1のLDA（流速測定用）
第2のLDA（風洞制御および参照標準）
ドイツ PTB
エッフェル型風洞
流速範囲：0.2 m/s ~ 40 m/s
トランスファー：LDA、超音波式など
ノズル直径：180 mm
流速計校正では通常こちらを使用
ノズル直径
180 mm
このチューブから
散乱粒子を供給
モーター
流速分布を平らにするためのフィルター
排出側
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大流速標準設定の流れ
ピトー管
産総研つくば中央
正確な体積流量
を供給
量速変換ノズル (60φ)
噴流
産総研つくば北サイト
エッフェル型風洞 (100φ)
噴流中心部の流速を算出
規格化
面積分
気体中流量標準
流速分布測定
ピトー管＆熱線流速計
移転
供給
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標準設定に使用する設備
産総研つくば中央
産総研つくば北サイト
気体中流量設備
（高速風洞システム）
エッフェル型風洞（実用標準）
26
高速風洞システム
閉ループ式校正設備
質量流量
Flow
Qv 
Qm
 nzl
体積流量
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量速変換ノズル
200A
100A
ピトー管
ノズル直径は60 mm、ノズル比は9:1
メッシュは3枚、ハニカムは1枚
ステッピングモーターによるトラバース機構
上下方向（0.002 mm間隔）、
回転方向（0.00192°）の2自由度
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噴流分布測定
1. 噴流中心部の安定した流速をピトー管で測定
2. 流速分布を熱線流速計で測定
3. 流速分布を測定断面積で面積分し、体積流量に変換
4. 高速風洞システムから供給される体積流量で補正後、中心部の流速を正確
に算出
5. 得られた流速からピトー係数を決定する
Flow
熱線流速計
ピトー管
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エッフェル型風洞
全長：8.4 m
大流速標準設定後、校正は
この風洞で実施予定
ノズル直径100 mm
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まとめ
CIPM 相互認証協定 Appendix C (CMCs: 校正・測定能力)
から、流速標準の登録内容紹介
• 流速40 m/s以上を扱うNMIは、流速標準を登録している12機関中4機関（NIST[アメリカ]、
VSL[オランダ]、VMT/LEI[リトアニア]、PTB[ドイツ]）あり、最大流速はNISTの67m/s
• 流速40 m/s以上での拡張不確かさ（k=2）は0.5 % ~ 1.0 %
FLOMEKO 2013をベースとした、各国の流速標準や校正設備
の紹介
• NIST[アメリカ]
発表1：回転円盤によるLDA校正の高度化
発表2：三次（参照）標準としてのピトー管校正と不確かさ解析
• LNE-CETIAT[フランス]
発表：風洞実験による結果との比較で数値計算結果を評価
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• INRIM[イタリア]
まとめ
発表1：回転腕の通過前後に発生する空間内の流速をLDAで測定
発表2：リニューアルしたエッフェル型風洞の性能評価
• BEV/E+E[オーストリア]
発表：新しい流速標準（0.4 m/s ~ 40 m/s）の確立
• NIM[中国]
発表：新しい流速標準（0.2 m/s ~ 30 m/s）の確立
• KRISS[韓国]
発表：ピッチ角、ヨー角変動時のS型ピトー係数の評価
• PTB[ドイツ]
動向：流量設備のブロアを併用したエッフェル型風洞をゲッチンゲン型に改良
 NMIJ[日本]
大流速標準（40 m/s ~ 90 m/s）の設定
→2014年12月に標準立ち上げ予定
ご静聴ありがとうございました！
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